История совершенствования конструкции тележки грузового вагона

Повозки, предназначенные  для движения по рельсам, были названы  английским словом "вагон". Ко дню своего открытия на Царско-Сельскую дорогу поступило 6 паровозов, 44 пассажирских и 19 грузовых (товарных) вагонов. Поезд состоял из паровоза и 8 вагонов. Средняя скорость движения составляла примерно 30 км/ч. Вагоны были двухосные, рамы деревянные, оси колесных пар стальные, колеса чугунные со стальными бандажами, буксы имели приспособления для смазки подшипников. Ходовые части и рамы вагонов строили в Англии, а кузова — в Бельгии и в России. Вагоны иностранного производства впервые оснащались тележками с рессорным подвешиванием в виде плоских листовых рессор, которые располагались под кузовом и позволяли опираться кузову вагона на шейки осей колесных пар. Такая конструкция позволяла добиться большей плавности хода подвижного состава и обеспечивала повышенную комфортабельность для пассажиров, поскольку снижала нагрузки, передаваемые неровностями на ходовые части вагона. Доски пола кузова пассажирского вагона прибивали гвоздями к раме. К доскам крепили бруски каркаса кузова, составленного из четырех стен рамной конструкции и крыши. Отопления вагоны не имели. Некоторые из них были открытые. В грузовых вагонах рама была такой же, как и в пассажирских. На раме размещался или открытый кузов (платформа), или крытый. Оси колесных пар вагонов были недостаточно прочными. Легкость, с которой стало возможным перевозить различные грузы на значительные расстояния, заставляла людей все больше и больше нагружать вагоны, в результате чего увеличивалась нагрузка на оси колесных пар тележек. Из-за излома оси 21 мая 1838 г. произошло крушение поезда. С тех пор проблеме прочности и надежности ходовых частей, обеспечению безопасности движения уделяют постоянное внимание вагоностроители и железнодорожники. С этого же времени инженеры начинают размышлять о возможности увеличения числа осей тележек вагонов для снижения нагрузки на ось в отдельности.

Царско-Сельская железная дорога оставалась единственной в России рельсовой дорогой для общего пользования на протяжении почти 15 лет. Большого социально-экономического значения она не имела. Основными путями сообщения в России в конце 30-х годов прошлого столетия были гужевой и водный транспорт. Интересно отметить, что на гужевых перевозках было занято около 3 000 000 крепостных крестьян, а на речных — более 600 000 бурлаков.

Несовершенные пути сообщения  сдерживали развитие производительных сил. Между тем в эти годы в России развивалось промышленное производство. Если в 1825 г. имелось 5200 фабрик и заводов, на которых было занято 210 000 рабочих, то в 1839 г. — 6855 предприятий, причем число рабочих возросло почти вдвое (413 000 человек). Росли масштабы внутренней и внешней торговли.

В связи с этим возрос интерес к новому виду транспорта — железной дороге, доказавшей на примере  Царско-Сельской свою жизненность в условиях суровых русских зим, а с ним развивался интерес и необходимость в разработке новых конструкций ходовой части подвижного состава, который был предназначен для передвижения по железной дороге (рис. 3).

Рис. 3 Подвижной состав Царско-Сельской железной дороги на тележках с рессорным подвешиванием

3. История развития конструкций экипажной части вагонов

В настоящее время на железных дорогах мира находится в обращении более 5 млн. грузовых вагонов. Современные грузовые вагоны магистрального и промышленного транспорта имеют двух-, трёх- и четырёхосные тележки, большегрузные транспортёры оснащены многоосными тележками, состоящими из набора перечисленных выше конструкций. Как правило, это – модели с одноступенчатым рессорным подвешиванием. Исключение составляют лишь изотермические и некоторые специализированные вагоны, служащие для перевозки грузов, требующих транспортировки с повышенными скоростями.

Конструкция современного грузового  вагона и его ходовой части создавалась в течение длительного периода.

Совершенствование грузовых вагонов происходило по нескольким направлениям. Среди них – повышение грузоподъемности, приспособление конструкций вагонов к перевозкам различных видов грузов, включая создание лучших условий для погрузочно-разгрузочных работ, оснащение вагонов средствами механизации и автоматизации.

Организаторы железнодорожных  перевозок обратили внимание на закономерность: чем больше груза можно перевезти в одном вагоне, тем экономичнее перевозка. Поскольку масса груза, перевозимого в одном вагоне, зависит от допустимой нагрузки одной оси на рельс, числа осей вагона и массы тары, усилия создателей грузовых вагонов были направлены на решение проблем, связанных с этими факторами, которые, в свою очередь, зависели от конструкции тележки.

Уже в 40-х годах прошлого века начали выпускать четырехосные вагоны. Наибольшее распространение они получили в США. В остальных странах их внедрение шло медленнее.

В России первые серийные грузовые вагоны начали выпускать в 1846 г. В начальный период существования железных дорог допустимая нагрузка на рельсы от оси вагона составляла 70-80 кН. Первые грузовые вагоны подобно гужевым повозкам были оснащены двухосными тележками и имели грузоподъемность 8-10 т при массе тары вагона 6-7 т. Первые отечественные крытые вагоны и платформы, строившиеся с 1846 г. для Петербурго-Московской железной дороги, были четырехосными и имели по две двухосные тележки. В конструкции их ходовой части с 1846 по 1863 гг. использовались двухосные тележки, разработанная американцем Уайненсом. Однако, из-за того что рама и кузов вагонов были деревянными и это снижало их грузоподъемность, было решено перейти на бестележечные двухосные вагоны, подобные западноевропейским. Начиная с 1848 г., стали применять бестележечные вагоны вследствие недостаточно выплавляемого металла в России и некоторых недостатков четырёхосных вагонов того времени. В связи с ростом грузооборота железных дорог и технико-экономическими преимуществами в этот период большегрузных тележечных вагонов возрождение проектирования и широкое распространение тележечных вагонов происходило с 1895-1909 гг. В эксплуатации длительное время находилась поясная двухосная тележка с центральной ступенью рессорного подвешивания и односторонним нажатием колодок тормоза (рис. 4).

Рис 4. Поясная тележка грузового вагона:

1 – надрессорная балка; 2 – шкворень; 3, 4, 5 – верхний, нижний и средний пояса боковой рамы; б – букса; 7 – буксовый болт; 8 – колоночный болт; 9 – распределительная балочка; 10 – комбинированный рессорный комплект; 11 – колонка; 12 – колёсная пара; 13 – подпятник; 14 – скользун

И только в 1965 г. двухосные  вагоны были исключены из обращения на железных дорогах СССР.

Основным недостатком  поясных тележек являлась сложность  конструкции и ненадежность в эксплуатации. Изломам, изгибам и повреждениям подвергались в особенности и в большей степени верхний, нижний и средний пояса боковой рамы при движении по рельсовому полотну.

В связи с недостатками поясных тележек, включая сложность  изготовления и ремонта, а также низкую надёжность в эксплуатации, их заменили бессвязевыми тележками с раздельными отливками корпусов букс и боковых рам типа МТ-50, а затем более совершенными типа ЦНИИ-ХЗ-О, имеющими рессорные комплекты из пружин и клиновых фрикционных гасителей колебаний (модель 18-100) и являющиеся типовыми для грузовых вагонов Российских железных дорог (рис. 1). Тележки типа МТ-50 с литыми боковыми рамами стали использоваться в конструкциях вагонного парка железных дорог СССР с 1951 года.

Еще одно направление совершенствования тележек грузовых вагонов – развитие отдельных элементов их конструкции, которое облегчает выполнение различных операций при следовании вагонов в составе поезда и маневровой работы на станциях, – совершенствование сцепных устройств, тормозов, устройств опирания, ходовых частей и колесных пар. Наиболее важным этапом в этот период был переход к роликовым подшипникам, которые монтировались в литых корпусах букс и предназначались для облегчения вращения осей колесных пар и самих колес при движении вагона. В старых конструкциях тележек также имелись буксы, но в них устанавливались подшипники скольжения, в которых в результате действия больших нагрузок и усиленного трения образовывались значительные тепловыделения, что приводило к горению масла и интенсивному изнашиванию подшипников. Поэтому такие подшипники были очень ненадежными и требовали постоянного обслуживания, замены масла и деталей. Уплотнительные устройства в их конструкции часто разрывались и масло просто выливалось на рельсы, что приводило к увеличению тормозного пути подвижного состава и вагонов. Применение роликовых подшипников позволило устранить подобные недостатки.

Под пассажирскими вагонами эксплуатационного парка находятся в настоящее время несколько основных типов тележек: ЦМВ, КВЗ-5, КВЗ-ЦНИИ и тележки для вагонов габарита 03-ВМ (РИЦ).

Тележки ЦМВ подкатывались под строящиеся пассажирские вагоны в период 1948-1957 гг. База этих тележек, т.е. расстояние между осями колесных пар, составляет 2700 мм. Диаметр колесных пар 1050 мм. Расстояние между осями отверстий для шпинтонов у одной буксы 640 мм. Тележки ЦМВ просты и надежны в эксплуатации, однако они предназначены для скоростей движения не выше 120 км/ч. В настоящее время их еще можно встретить под рефрижераторными вагонами.

Тележки КВЗ-5 более совершенны, чем ЦМВ, и позволяют увеличить скорость движения пассажирских вагонов до 140 км/ч. Пассажирские вагоны с тележками КВЗ-5 строились с 1957 по 1962 г.

Эта тележка легче, база ее уменьшена до 2400 мм, под нее подкатываются колесные пары диаметром 950 мм. Расстояние между осями шпинтонов 580 мм.

Тележки КВЗ-ЦНИИ. Пассажирские вагоны, предназначенные для скоростей движения до 45 м/с, преимущественно имеют двухосные бесчелюстные тележки типа КВЗ-ЦНИИ, серийный выпуск которых начался со второй половины 1962 г. на Калининском вагоностроительном заводе.

Тележка КВЗ-ЦНИИ соответствует  изложенным ниже условиям.

1. Возможна подкатка тележки под пассажирские, почтовые, багажные и другие вагоны при условии взаимозаменяемости с ранее выпущенными тележками с учетом веса вагонов. При этом она обеспечивает скорость движения поездов до 160 км/ч.
2. Полный статический прогиб обеих ступеней рессорного подвешивания под тарой вагона не менее 150 мм, а в груженом состоянии – около 200мм.
3. Рессорное подвешивание (надбуксовое и центральное) состоит из металлических винтовых пружин и гасителей колебаний обрессоренных масс вагона.
4. Надбуксовое рессорное подвешивание обладает способностью:
• амортизировать вертикальные толчки, а также гасить возникающие при этом колебания обрессоренных масс вагона;
• амортизировать боковые толчки, а также гасить колебания рамы тележки, возникающие от этих толчков;
• удлинить волну извилистого движения колесных пар, для чего буксовое подвешивание должно устранять относительное перемещение колесных пар и рамы тележки в горизонтальной плоскости.
5. Центральное рессорное подвешивание амортизирует и гасит вертикальные, а также боковые колебания обрессоренных масс вагона. Устройство рессорного подвешивания исключает удары кузова или жестко связанных с ним деталей в раму тележки во время движения вагона с максимальными скоростями.
6. Кузов вагона опирался на тележку через боковые скользуны. Момент сил трения в боковых опорах в пределах 2000-2900кгм (для вагонов весов  42-48т). Шкворневое устройство служит для центрирования тележек при их установке под вагон и передачи продольных усилий от кузова тележке.
7. Надрессорная балка и рама тележки для устранения поворота их относительно друг друга в горизонтальной плоскости соединяются шарнирно-тяговыми поводками.
8. Вагон имеет электропневматический тормоз с колодками из композиционных материалов типа 6-КВ-10, воздействующих на поверхности катания колес или на специальные диски. Тормозной путь на площадке должен быть не более 1000 м при скорости 140 км/ч.
9. Вес тележки составляет не более 6500-7000 кг при базе тележки 2400 мм и весе рамы 1250-1400 кг.

Кроме описанной тележки  КВЗ-ЦНИИ типа I, применяемой в вагонах  с массой брутто до 60 т, ГОСТ 10527-70 предусматривает  для вагонов с массой до 72 т  тележку КВЗ-ЦНИИ типа II. Такая тележка  имеет более мощную раму, снабженную концевыми поперечными балками, усиленные люлечные подвески, больший диаметр прутков пружин рессорного подвешивания со статическим прогибом 151 мм, по два гидравлических гасителя колебаний с каждой стороны тележки (рис. 5).

Рис. 5 Тележка пассажирского  вагона модели КВЗ-ЦНИИ

Тележки типа КВЗ-ЦНИИ благодаря  опиранию кузова на скользуны, увеличенному статическому прогибу и большому расстоянию между рессорными комплектами центрального подвешивания обеспечивают необходимую плавность хода вагона при скорости движения до 45 м/с.

Четырехосные вагоны имеют  значительное преимущество по сравнению с двухосными вагонами. У них меньше коэффициент тары (отношение массы тары к его грузоподъемности), потому что такие элементы вагона, как сцепные устройства и тормоза, имеют одинаковую массу независимо от числа осей. При одинаковой массе перевозимого груза длина поезда из четырехосных вагонов в 1,6-1,7 раза меньше, чем из двухосных. Это снижает требование к длине станционных путей.

Четырехосные тележки  с меньшим сопротивлением проходят кривые участки пути. Сопротивление  движению поезда из таких вагонов  также снижается благодаря меньшему числу междувагонных промежутков. Все это приводит к уменьшению расхода топлива. Можно назвать много других преимуществ четырехосных вагонов, например, сокращение времени на расформирование и формирование поездов, взвешивание вагонов, оформление документов и т. д.

Были попытки создания трехосных вагонов, но эти вагоны не получили распространения.

Постоянно проводимые работы по усилению железнодорожного пути позволили  к началу XX века усилить дополнительную нагрузку на ось до 17, а к 40-м годам  до 20 т. Грузоподъемность четырехосного  вагона при массе тары 20-22 т возросла до 60 т.

После второй мировой войны  работа по повышению дополнительной нагрузки на ось и усилению конструкции тележки продолжалась. В СССР она была доведена к концу 80-х годов до 25 т, в США - до 30-40 т на ось.

Постоянно велась работа по повышению числа вагонных осей. В  Германии в период перед первой мировой войной имелись вагоны на двух трехосных тележках грузоподъемностью до 63 т.

В СССР шестиосные вагоны были созданы в 1955 г. Однако они не получили распространения в основном из-за сложности конструкции трехосной тележки. В 1969 г. были созданы восьмиосные цистерна и полувагон грузоподъемностью по 120-130 т. Общая масса такого вагона примерно 180 т. Цистерна такой грузоподъемности вмещает столько бензина, что его достаточно для заправки 4 тыс. легковых автомобилей. Наибольшая грузоподъемность вагонов достигнута в США: средняя грузоподъемность одного вагона приближается к 80 т, в бывшем СССР - примерно 65 т.